大功率LED路燈散熱器優(yōu)化設計方法研究_圖文

1、基金項目:智能自適應LED 路燈開發(fā)及光色度測量分析應用,福建省科技廳2010年產學重大合作項目,項目編號:2010H6005收稿日期:2012-04-06作者簡介:孫學耕(1968,河北玉田人,福建信息職業(yè)技術學院副教授,研究方向:光電器件的研究及應用;林火養(yǎng)(1980,福建漳洲人,光學工程碩士,研究方向:半導體照明器件的研究及應用。大功率L ED 路燈散熱器優(yōu)化設計方法研究孫學耕 林火養(yǎng)(福建信息職業(yè)技術學院,福建福州 350019摘 要:本文根據(jù)試驗設計法(DOE的策略流程,利用響應面設計法(RSM 中的中心復合設計(CCD來進行大功率LED 燈具散熱器的設計研究。以鋁材料鰭片型散熱器的

2、設計為范例,研究了散熱器的熱傳導系數(shù)、底板厚度、鰭片厚度、鰭片間距、鰭片數(shù)量、L ED 分布等參數(shù)對散熱器的影響,以及參數(shù)與參數(shù)之間的相互制約關系,提出了一個通用的散熱器優(yōu)化設計方法。關鍵詞:DOE;RSM ;L ED;散熱器;優(yōu)化中圖分類號:T M 923.34 文獻標識碼:B 文章編號:1008-7508(201207-00001-04一、引言LED 照明作為綠色照明已經得到了廣泛的認識和推廣,雖然量產化的L ED 發(fā)光效率已經達到了100Lm/W,但是L ED 的電光轉換效率依然只有1015%,其余8590%的電能則轉換成熱能,進而造成組件溫度提高,降低發(fā)光效率與組件壽命,甚至造成永久光

3、衰。以1瓦的大功率L ED 為例,圖1與圖2顯示在不同驅動電流下,LED 結溫與光通量(Lm和色溫(CCT 的變化關系。由圖1可知,在300mA 驅動電流下,當接腳溫度由室溫25e 升高至60e 時,光通量衰減約10%,若升高至90e 則衰減約20%;圖2表明在同樣的驅動電流下L ED 結溫越高色溫也越高。因此,L ED 的散熱設計對減少光衰和穩(wěn)定色溫非常的重要。但是一個L ED 照明產品必須兼顧成本與性能,如光通、燈具尺寸、燈具溫度、燈具重量等,其中散熱器對燈具成本得影響非常的大,所以散熱器需要根據(jù)各種參數(shù)做一個優(yōu)化設計。二、散熱器的DOE 設計對于大功率的L ED 燈具,若單純從散熱的角度

4、去考慮,散熱的成本將非常高?？紤]到要將L ED 普及于一般照明市場,就必須將散熱成本控制在一定的程度,同時又能把L ED 的結溫控制在一定的水平內。散熱器的性能指標主要包括散熱器溫度、均溫性、尺寸、重量。自然封流與輻射是最常被考慮的方法。本文以鋁材料散熱鰭片的設計為例,在鰭片散熱器最高溫度、均溫性、尺寸、重量等多重參數(shù)的限定下,考慮底板厚度、鰭片厚度、鰭片數(shù)目、LED 分布與材料熱傳導性能等設計因子對散熱器性能的影響程度。傳統(tǒng)的設計方法習慣采用一次只變動一個設計因子(One F actor at a T ime,OFA T ,而其它的設計因子保持不變,來得到所想要觀察的結果。OFA T 方法雖

5、然簡單易行,卻沒有辦法觀察到多個設計因子之間的交互作用對結果所造成的現(xiàn)象,從而有可能導致誤判。當需要考慮多個設計因子要同時滿足多重設計條件時,多個設計因子之間又會出現(xiàn)互相制約而必須采用一些折衷的辦法時O FAT 方法就顯現(xiàn)出明顯的不足了。為此本文研究采用CCD 做一個系統(tǒng)性的設計分析,來分析各種設計參數(shù)對散熱器的影響程度。 根據(jù)DO E 的策略流程,在初始設計階段,存在很多可能的設計因子,必須要先理清哪些因子才是重要的少數(shù)設計因子。策略流程圖建義以一階多項式(式1的DO E 分辨出Journal of Jilin Radio and TV University No.7,2012(Total

6、No.1275吉林廣播電視大學學報6 2012年第7期(總第127期科研項目研究 各種設計因子的影響程度。y=B o +E ki=1=B i X i (1其中y 是反應變數(shù),x 是第i 個設計因子。第二階段為突破性實驗,這時候要分析各設計因子之間的交互作用,以具有交互作用的一階多項式(式2的DOE 確認交互作用是否存在。y=B o +Eki=1B i X i +Ek i=1E kj>1B ji X i X j (2其中B ji 是交互作用項的影響系數(shù)。到此,已經掌握了約75%的系統(tǒng)特性。如果想要進一步優(yōu)化多重變數(shù),就要采用二階多項式(式3的響應面設計法(RSM 。y=B o +E ki=

7、1B i X i +Ek i=1E kj>1B ji X i X j +Ek i=1B ii X 2i(3CCD 即為R SM 的方法之一,在使用RSM 時,所得到的響應面方程式可以進一步做魯棒設計。在面臨對問題一無所知的情況時,DOE 策略流程建議的初探與突破性實驗階段,對解決問題起著相當大的幫助。散熱器的各個設計因子如表1所示,本文直接使用CCD,尋求一快速合理的方法來優(yōu)化散熱器的設計。表1 DO E 設計因子與因子水平說明設計因子說 明因子變動范圍因子水平A PCB 電路板熱傳導系數(shù)B 散熱器熱傳導系數(shù)C 鰭片長度D 鰭片厚度E 鰭片數(shù)量F散熱器底板厚度G熱源(LED間距10W/m

8、-K -1.0160W/m-K 1.080W/m-K -1.0200W/m-K 1.030mm -1.070mm 1.01mm -1.03mm 1.09-1.015 1.02mm -1.010mm 1.010mm -1.025mm1.0 圖3列出設計模型的基本架構,筒化后的模型包括L ED 晶片、LED 封裝結構、電路板(PCB和散熱器(發(fā)光二極管(L ED:16顆大功率LED (44陣列, 1.25W /顆;LED 芯片熱傳導系數(shù)=50Watt/m-K;L ED 襯底熱傳導系數(shù)=260Watt/m -K ;PCB 厚度: 1.0mm;鋁散熱器底板面積:10cm x 10cm。表2列出了實驗設

9、計中的設計因子與因子水平,因子水平的設定已經考慮制造加工上是否可行,例如鰭片長度最長為70mm 。為避免不同因子水平的高低值差距過大導致對觀察反應值的扭曲,將因子AG 的變動范圍均事先規(guī)一化為無因次的水平高低- 1.0 1.0,并以小寫符號a,b,c,d,e,f,g 代表。表2則是評價散熱器性能的指標,經由CCD 的實驗設計手法與模擬分析結果,可以得到具交互作用的一階多項式(式5(式8,并列表如表3。圖3 燈具散熱結構分析模型示意圖表2 DOE 觀察反應值說明反應值說 明單 位V散熱器重量g Tb (max 散熱器底板的最大溫度e Th (maxLED 襯底的最大溫度eTh (max-minL

10、ED 襯底陣列的溫度均勻度e使用材料的條件分別假設為:(1L ED 封裝體的熱阻R JC 為10e /W (2鋁基板熱阻值R PCB 為5e /W (3LED 晶片溫度必須小于75e 根據(jù)熱阻計算公式:T J =T b +P #(R JC +R PCB (4科研項目研究孫學耕 林火養(yǎng) 大功率L ED 路燈散熱器優(yōu)化設計方法研究其中T J 為晶片的結溫,T b 為鰭片底板溫度,P 為L ED 總發(fā)熱瓦數(shù),可以計算出鰭片底板的最高設計溫度必須低于60e 。所以本文將設計規(guī)格定義為散熱器重量低于250g,散熱器底板溫度低于60e 。T h =70.9-2.1a -1.2b-5.0c+0.6d+0.2

11、e-1.0f-1.5g+1.4d #e+0.5f #g(5T b =60.2-1.3b- 4.9c+0.6d+0.1e -1.0f- 1.4g +1.3d #e+0.4f #g (6T h (max-min=5.7-0.1a -0.2b-0.3f-0.5g +0.2f #g(7W=488+130c+163d+82e+107f +40d #e+65c #d+32c #e (8表3 具交互作用的一階多項式(式2系數(shù)列表規(guī)一化因子單位LED 襯底的最大溫度T h (M axe散熱器底板的最大溫度Tb (M ax e LED 襯底陣列的溫度均勻度Th (M ax-M ine 熱器重量Vg 平均值-70

12、.960.2 5.7488a:PCB 電路板熱傳導系數(shù)W/m-K 2.10.0-0.10.0b:散熱器熱傳導系數(shù)W/m-K -1.2-1.3-0.20.0c:鰭片長度mm -5.0-4.90.0130d:鰭片厚度mm 0.60.60.0163e:鰭片數(shù)量-0.20.10.082f:散熱器底板厚度mm -1.0-1.0-0.3107g:熱源(LED間距mm -1.5-1.4-0.50.0 de:鰭片厚度x 鰭片數(shù)量mm 1.4 1.30.040fq:散熱器底板厚度x 熱源(LED間距mm 20.50.40.20.0cd:鰭片長度鰭片厚度mm 20.00.00.065ce:鰭片長度鰭片數(shù)量mm 2

13、0.00.00.032由表3可知,個別因子(A ,B,C,D,E,F,G 的水準高低對性能指標的影響與部分因子交互作用(DE,F G,CD,CE對性能指標的影響程度。分析鰭片底板的最高溫度反應值,發(fā)現(xiàn)鰭片長度是最重要的設計因子。當鰭片長度從30mm 變動為70mm 時(即因子c 水準變化v c=1-(-1=2,根據(jù)(6式,即鰭片底板的最高溫度降低達9.80e 。而在自然對流情況下,使用最好的散熱器材料熱傳導系數(shù)(200Watt/m -K ,鰭片底板的最高溫度僅減小2.6e 。當選定T b 60e ,W 250g,A=85W att/m-K ,D=1.0mm,E=12,F=2.0mm,G=25.

14、0mm 時,由式(6與式(8分別可以得到:T Sb=58.8-1.3b-4.9c 60 (9W=218=65c 250(10根據(jù)式(9和式(10的不等式解可繪制出圖4重疊區(qū)域,即灰色重疊區(qū)表示可以同時滿足鰭片底板最高溫度低于60e 和散熱器重量低于250g 的復數(shù)解區(qū)域。同樣的方法可以繪制出圖5至圖9,最后利用重疊圖4至9,就可以快速找到符合設計規(guī)格的設計因子水準。孫學耕 林火養(yǎng) 大功率L ED 路燈散熱器優(yōu)化設計方法研究科研項目研究最后,經過CCD方法優(yōu)化后,選用散熱器材料熱傳導值80Watt/m-K、底板厚度2mm、鰭片厚度1mm及鰭片數(shù)目為12片(此時鰭片間距7.5mm的散熱器。由CCD

15、反應曲面擬合式推估鰭片底板的最高溫度57.4e,以此設計因子水平再次進行多重目標優(yōu)化后的模型分析設計。筆者在產品研發(fā)中根據(jù)此設計模型加工出的散熱器樣品,經測試樣品的溫度分布顯示鰭片底板的最高溫度55.9e,與CCD所推估的溫度值很接近(相差1.5e。因此,可以利用所建立的CCD反應曲面擬合式做為散熱器選用時的快速優(yōu)化工具。三、結論DOE的優(yōu)點在于提供一個系統(tǒng)化的設計方法,開展對各設計因子靈敏度分析并研究設計因子間的交互作用影響,而CCD方法更可以提供多重目標優(yōu)化的設計手法,缺點則是會使整個設計流程變得繁瑣與冗長。通常對于一個全新的散熱結構,初次設計時可以利用DOE方法,在眾多設計因子中尋找出重

16、要的設計因子與交互作用,后續(xù)類似的設計就可以直接對重要的設計因子與交互作用進行分析。本文提供一個系統(tǒng)化的設計方法,以16顆1瓦高功率LED與鋁基板散熱器為例,利用實驗設計方法與最終的樣品驗證,確實可以在LED照明產品的散熱設計上取得一個均衡的設計,得到較高的性價比。本文所建立的CCD反應曲面擬合式可做為散熱器選用時的快速優(yōu)化設計方法。參考文獻:1M ontgo mery, D.C,0Design and A nalysis of Exper-i ments,5t.i ed.,John Wiley&Sons,New Y ork.2001.2M yers,R.H.,and M ontgomery, D. C.,0Re-sponse Sur face M ethodology,2th ed.,John Wiley